1.3.30. Параллельный и последовательный порты

Для того чтобы передать информацию какому-либо устройству или получить ее от этого устройства, компьютеру необходимо специально организовать процесс обмена данными.

Организация операций, связанных с вводом и выводом информации, подразумевает следующее:

• соблюдение одинакового кода передаваемых данных (то есть «разговор на одном языке»);

• согласование скоростей передачи и приема информации (или «диалог в одинаковом темпе»);

• единство формата обмена данными (то есть способ дробления их на фрагменты, передаваемые за один цикл);

• стандартный протокол специальных управляющих сигналов (команды, «понятные» принимающему и передающему устройству) .

Для того чтобы соблюсти все указанные требования, в компьютере существуют специализированные контроллеры ввода/вывода, предназначенные только для организации работы по обмену информацией с внешним миром. Этот обмен реализуется через специальные «ворота» (каналы), получившие название портов.

Обмен (то есть ввод и вывод) данных между компьютером и периферийным устройством происходит в два этапа: передача информации от компьютера к периферийному устройству и прием информации от периферийного устройства. Такая организация работы требуется для исключения возникающих ошибок (например, при переполнении приемного буфера периферийного устройства или наличии внешней помехи) и оперативного информирования системы о состоянии процесса ввода/вывода.

Помимо оперативной памяти, процессор может адресовать и другую область, известную как адресное пространство ввода-вывода. Каждый порт ввода-вывода имеет уникальное множество адресов ввода-вывода. Микропроцессор включает две команды: IN и OUT, используемые для чтения и записи данных в адресном пространстве ввода-вывода, а также другие инструкции, управляющие портами ввода-вывода (эти команды будут рассмотрены при изучении языка ассемблера).

Порты ввода/вывода, соответственно способам передачи, подразделяют на параллельные и последовательные.

В параллельном порту (Parallel Port) в одном направлении одновременно передаются сразу 8 бит (1 байт) информации. Поэтому разъем параллельного порта содержит восемь линий для передачи данных, а на компьютере с двунаправленным параллельным портом разъем дополнительно восемь линий используются для приема данных.

Для параллельного порта не существует международного стандарта, однако в качестве фактического стандарта используется спецификация, опубликованная фирмой-изготовителем периферийных устройств Centronics (поэтому ее часто называют стандартом Centronics).

Интерфейс Centronics в компьютере использует для обмена данными 25-контактный «материнский» разъем (контактные гнезда под штыри кабеля).

Существуют следующие типы параллельного порта:

• стандартный;

• улучшенный параллельный порт EPP (Enhanced Parallel Port);

• порт с расширенными функциями ECP (Extended Capability Port).

Стандартный параллельный порт предназначен только для односторонней передачи данных от компьютера к принтеру. Он обеспечивает максимальную скорость передачи данных от 120 до 200 Кбайт/с.

Порт EPP является двунаправленным, то есть обеспечивает передачу 8 бит данных в обоих направлениях. Это избавляет центральный процессор от необходимости выполнения медленных команд типа IN и OUT, позволяя программе непосредственно заниматься пересылкой данных. Порт EPP передает и принимает данные почти в 6 раз быстрее стандартного параллельного порта, в основном, за счет наличия буферной памяти. Специальный режим (с использованием прямого доступа в память – DMA) позволяет порту EPP передавать блоки данных непосредственно из оперативной памяти в последовательный порт, минуя процессор. При использовании соответствующего программного обеспечения порт EPP может принимать и передавать данные со скоростью до 2 Мбайт/с. Подобно интерфейсу SCSI порт EPP позволяет подключать в цепочку до 64 периферийных устройств.

Дальнейшим развитием порта EPP явился порт ECP. Он обладает теми же возможностями, что и порт EPP, но количество устройств увеличено до 128. Кроме того, в порту ECP реализована такая важная функция, как сжатие данных.

Для сжатия данных используется метод RLE (Run Length Encoding), в котором длинная последовательность одинаковых символов передается двумя байтами: один байт определяет повторяющийся символ, другой – число повторений. Стандарт ECP допускает сжатие и распаковку данных как программно (с помощью драйвера), так и аппаратно (схемой порта).

В настоящее время стандарты портов EPP и ECP включены в стандарт IEEE 1284. Этот стандарт определяет четыре режима работы: полубайтовый, байтовый, EPP и ECP. Дополнительно к функциям портов EPP и ECP стандарт IEEE 1284 позволяет принтеру послать сигнал при аварии.

Хотя в операционной системе предусмотрено три логических имени для параллельных портов – LPT1 (синоним PRN), LPT2 и LPT3 обычно в комплектацию компьютера входит один параллельный порт (в современных компьютерах контроллер параллельного порта располагается на материнской плате)

Параллельный порт чаще всего используется для подключения принтера. Однако к нему можно подключать и другие устройства, например, сканеры, внешние дисководы, стримеры и дисководы CD. Параллельный порт можно использовать также для обмена данными между двумя компьютерами.

Параллельный порт обеспечивает довольно высокую скорость передачи, поскольку эта передача осуществляется побайтно. Однако при большой длине кабеля или при не очень интенсивном обмене данными удобнее оказывается последовательный порт.

Последовательный порт (Serial Port) передает в одном направлении одновременно всего лишь 1 бит информации. Данные могут передаваться через этот порт как от ПК к внешнему устройству, так и наоборот.

Последовательные порты компьютера обычно соответствуют международному стандарту RS-232C (Reference Standard 232 версии С), поэтому к этому порту можно подсоединить любое устройство, которое также ориентировано на этот стандарт (например, мышь, модем, последовательный принтер или последовательный порт другого компьютера). Этот интерфейс использует 9 каналов связи: один из них служит для передачи информации от компьютера, другой – для приема данных от периферийного устройства. Оставшиеся 7 каналов используются для управления самим процессом обмена данными.

Последовательный порт состоит из UART-микросхемы (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter – универсальный асинхронный приемник/передатчик) и некоторых поддерживающих компонентов. Эта микросхема принимает байты данных от шины компьютера, преобразует их в строку битов, добавляет необходимые биты кадровой синхронизации и затем выполняет передачу данных, а также выполняет обратные действия по приему строки данных.

Современные микросхемы UART оснащены буферной памятью и обеспечивают скорость передачи данных до 115 Кбит/с.

Данные при последовательной передаче разделяются служебными посылками, такими, как стартовый бит и стоп-бит. Эти биты указывают на начало и конец передачи последовательных бит данных. Данный метод передачи позволяет осуществить синхронизацию между приемной и передающей стороной, а также выровнять скорость обмена данными.

Для идентификации и распознавания ошибок при последовательной передаче в состав посылки дополнительно может включаться бит контроля четности. Значение бита контроля четности определяется двоичной суммой всех передаваемых битов данных. В режиме, когда бит контроля четности четный (Even Parity), значение бит контроля четности равно 0, если сумма битов четная, и 1 – в противном случае. Биты контроля четности имеют инверсные (обратные) значения (соответственно 1 или 0), если бит контроля четности нечетный (Odd Parity).

Стандартная комплектация компьютера содержит два последовательных порта. В современных компьютерах контроллеры последовательных портов, также, как и контроллер параллельного порта, располагается на материнской плате. Отличие разъема последовательного порта от параллельного состоим в том, что этот разъем имеет контактные штыри, а не гнезда («отцовский» разъем). В старых компьютерах использовался один 25-контактный и один 9-контактный разъем, в современных компьютерах – два 9-контактных разъема. Длина кабеля последовательного порта ограничена 18 м. Основным устройством, подключаемым к последовательному порту, является модем.

Некоторые компьютеры, особенно ориентированные на коммуникационные приложения, могут иметь последовательные порты, выполненные по другим стандартам (например, RS-449A или RS-613), имеющие более высокую скорость передачи данных на более дальние расстояния.